Учебная программа дисциплины «Основы физики горения»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«УТВЕРЖДАЮ»

Проректор университета

___________

“_____”__________2006 г.

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

дисциплины

«Основы физики горения»

по направлению подготовки дипломированного специалиста

651«Энергомашиностроение»,
специальность 101«Двигатели внутреннего сгорания»

и по направлению подготовки бакалавра

552«Энергомашиностроение»
(очной формы обучения)

Факультет: Авиационные двигатели

Кафедра: Двигатели внутреннего сгорания

УФА 2006

Учебную программу составил:

______________ к. т.н.,

Учебная программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры

Двигатели внутреннего сгорания

«____» ____________2006 г. (протокол № ____)

Заведующий кафедрой

_____________ к. т.н., доцент

Учебная программа рассмотрена и одобрена на заседании научно-методического Совета по направлению подготовки дипломированного специалиста 651«Энергомашиностроение» и направлению подготовки бакалавра 552«Энергомашиностроение»

«____» ____________2006 г. (протокол № ____)

Председатель научно-методического Совета

_____________ к. т.н., доцент

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 4

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ.. 4

2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ 4

3. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ.. 5

4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ.. 6

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий. 6

4.2. Содержание разделов дисциплины.. 6

5. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ.. 9

6. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ.. 9

7. ВНЕАУДИТОРНАЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА.. 10

8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ.. 10

8.1. Рекомендуемая литература. 10

8.1.1. Основная литература. 10

8.1.2. Дополнительная литература. 11

8.2. Средства обеспечения освоения дисциплины.. 11

9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ.. 11

ВВЕДЕНИЕ

Учебная программа составлена в соответствии с требованиями к уровню подготовки дипломированного специалиста 651«Энергомашиностроение», специальность 101«Двигатели внутреннего сгорания» и по направлению подготовки бакалавра 552«Энергомашиностроение» по дисциплинам, дополняющим федеральные дисциплины Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования.

Основные сведения о дисциплине

Компонент ГОС	Наименование цикла, в который входит дисциплина	Семестр	Всего (час)	Аудит. (час)	Образовательная программа	Вид итогового контроля
Вид	Срок обучения (год)
национально-региональный (вузовский)	ЕН	6	120	46	Полная	4	Экзамен

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью изучения дисциплины является получение знаний о физических основах процесса горения и взрыва.

Задачи дисциплины: изучение основных теоретических положений и понятий теории горения и особенностей организации процесса горения в энергоустановках.

2. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

Студент должен знать:

·  закономерности протекания процессов горения и взрыва;

·  типовые методики расчета параметров, описывающих процесс горения;

·  способы организации сжигания топлив в объектах энергомашиностроения;

·  проблемы горения, характерные при организации процесса в объектах энергомашиностроения;

·  новые направления в организации процесса горения в энергоустановках, связанных с решением энергетических и экологи­ческих проблем современной цивилизации;

Студент должен уметь:

·  формулировать и решать инженерные проблемы в области горения;

·  использовать существующие методики расчета параметров, описывающих процесс горения, которые необходимы при решении практических вопросов проектирования энергетических машин с учетом организации процессов горения.

Студент должен иметь навык:

·  работы с технической литературой, научно - техническими отчетами, справочниками и другими информационными источниками;

·  проведения качественной оценки процессов горения и сравнительного анализа параметров процесса, при изменении условий его протекания.

·  пользования вычислитель­ной техникой для решения специальных задач.

3. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ

Виды учебной работы	Всего часов	Семестр
7
Общая трудоемкость дисциплины	120	120
Аудиторные занятия	46	46
Лекции	22	22
Лабораторные работы	12	12
Практические занятия	12	12
Самостоятельная работа студентов	74	74
Вид итогового контроля		Экзамен

4. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

№	Наименование разделов дисциплины	Лекции	Практические занятия	Лабораторные работы	Самостоятельная работа студента
1	Введение	2	–	–	2
2	Термодинамические соотношения для газовых смесей	2	4	4	6
3	Химическая кинетика газофазных реакций	2	2	–	6
4	Уравнения сохранения для потока смеси реагирующих газов	4	–	–	12
5	Ламинарное горение	4	2	4	12
6	Турбулентное горение	2	–	–	12
7	Горение гетерогенных смесей	2	2	4	12
8	Условия и пределы распространения пламени	2	2	–	6
9	Токсичность продуктов сгорания	2	–	–	6
	Всего по курсу	22	12	12	74

4.2.1. Введение

Цели и задачи курса. Определение горения как объекта изучения. Задачи специалиста в области горения. Значение науки о горении. Три уровня рассмотрения проблем горения: инженерная практика, математические модели, фундаментальные науки. Тенденции развития науки о горении. Проблемы горения применительно к ДВС.

План курса. Рекомендуемая литература по курсу. Список обозначений.

4.2.2. Термодинамические соотношения для газовых смесей

Термодинамическая равновесность смеси реагирующих газов. Газовые смеси в состоянии равновесия. Парциальные давления компонентов смесей и закон Дальтона. Массовые и мольные доли компонентов и связь между ними Удельные газовая постоянная, теплоемкости, энтальпия и внутренняя энергия смеси.

Элементарный расчет состава и температуры продуктов сгорания. Особенности сгорания при p=const и при v=const.

Диссоциация. Расчет состава и параметров продуктов сгорания с учетом диссоцииации.

4.2.3. Химическая кинетика газофазных реакций

Формальные соотношения для описания скоростей реакций в газах Закон действующих масс. Скорость реакции. Скорость образования (исчезновения) компонента. Скорость обратимой реакций. Химическое Равновесие. Константа равновесия.

Порядок реакции. Молекулярность. Механизмы реакций Цепные реакции. Катализ. Катализаторы и ингибиторы. Энергия активации. Закон Аррениуса.

4.2.4. Уравнения сохранения для потока смеси реагирующих газов

Закон сохранения массы компонентов. Конвекция и диффузия. Диффузионный поток массы. Закон диффузии Вика. Закон сохранения массы компонента и массы смеси (уравнение неразрывности). Уравнение количества движения. Вязкость. Выражение для компонент тензора вязких напряжений. Уравнение энергии смеси. Теплопроводность. Закон Фурье. Диффузионный поток энергии. Термодиффузия. Молекулярный перенос энергии.

Приближенное описание процессов молекулярного переноса в реагирующей смеси.

Упрощенные формы основных уравнений сохранения.

4.2.5. Ламинарное горение

Ламинарное горение: определение, примеры. Особенности горения во фронте ламинарного пламени Распространение фронта реакции в неподвижной смеси. Эффект Махе. Ламинарное горение смеси в стационарном потоке. Нормальная скорость горения. Закон Михельсона. Структура фронта ламинарного пламени. Ламинарное диффузионное горение.

Расчет нормальной скорости горения по тепловой теории. Оценка толщины фронта ламинарного пламени.

Методики экспериментального определения нормальной скорости горения. Зависимость скорости горения от температуры, давления и состава смеси.

4.2.6. Турбулентное горение

Турбулентное горение: определение и примеры. Структура и характеристики турбулентного горения. Экспериментальные данные по измерению скорости турбулентного горения. Особенности горения в условиях турбулизированной среды и проблемы математического описания. Осредненные уравнения движения реагирующей газовой смеси.

Подходы к численному моделированию турбулентного пламени: расчет по осредненным уравнениям, моделирование крупных вихрей, прямое численное моделирование горения в турбулентном потоке.

Турбулентное диффузионное пламя.

4.2.7. Горение гетерогенных смесей

Модель двухфазного течения. Допущения, принимаемые при математическом описании движения дисперсных смесей. Основные уравнения сохранения при движении дисперсных смесей. Модели межфазных взаимодействий. Три модели, описывающие испарение одиночной капли при движении в потоке парогазовой смеси. Понятие о двухфазном турбулентном течении.

4.2.8. Условия и пределы распространения пламени

Виды и способы воспламенения. Самовоспламенение. Методы исследования самовоспламенения. Самовоспламенение однородных смесей. Математическая модель.

Вынужденное воспламенение: воспламенение накаленными поверхностями, электрической искрой, форкамерно-факельное воспламенение. Математическая модель самовоспламенения от точечного источника энергии.

Пределы воспламенения и распространения пламени: концентрационные и связанные с потерями энергии.

Погасание пламени. Стабилизация пламени. Способы стабилизации.

Детонация. Элементарная теория детонации. Детонация применительно к ДВС.

4.2.9.Токсичность продуктов сгорания

Продукты неполного сгорания и окислы азота: пути и механизмы эмиссии токсичных компонентов ОГ в ДВС. Нормирование токсичности.

Критический анализ недостатков рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания. Повышение экономичности и снижение токсичности двигателей с воспламенением от сжатия и с принудительным воспламенением путем воздействия на рабочий процесс.

Особенности рабочих процессов двигателей с внешним смесеобразованием. Варианты рабочих процессов двигателей с послойным смесеобразованием. Особенности рабочих процессов в дизелях различных типов. Комплексное снижение токсичности ОГ в ДВС.

5. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

№	Наименование разделов дисциплины	Наименование лабораторных работ	Затраты времени (час)
1	Термодинамические соотношения для газовых смесей	Расчет равновесного состава газовой смеси	4
2	Ламинарное горение	Расчет нормальной скорости горения	4
3	Горение гетерогенных смесей	Расчет процесса испарения одиночной капли	4

6. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

№	Наименование разделов дисциплины	Наименование практических занятий (семинаров)	Затраты времени (час)
1	Термодинамические соотношения для газовых смесей	Расчет элементарного состава продуктов сгорания	2
Определение термодинамических функций по таблицам	2
2	Химическая кинетика газофазных реакций	Химическая кинетика газофазных реакций	2
3	Ламинарное горение	Расчет нормальной скорости горения	2
4	Горение гетерогенных смесей	Расчет испарения одиночной капли	2
5	Условия и пределы распространения пламени	Анализ теплового взрыва. Расчет скорости распространения детонационной волны.	2

7. ВНЕАУДИТОРНАЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

Главной целью самостоятельной работы студентов является закрепление сведений, полученных ими в ходе лекционных, практических и лабораторных занятий. Реальная самостоятельная работа является исключительно важным элементом в деле эффективного усвоения материала вообще, и по дисциплине «Основы физики горения» в особенности.

В качестве самостоятельной работы по данной дисциплине предполагается регулярная проработка лекционного материала с обязательным привлечением рекомендованной литературы, а также ресурсов глобальной сети Internet, с целью расширения кругозора, выяснения деталей и нюансов изучаемых вопросов, так как ни одно аудиторное занятие не может заменить как обширную учебную литературу, так и необходимые справочные источники.

8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

8.1.1. Основная литература

1. Горение: Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ: Пер. с англ. // Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл. – Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 351 с.

2. Стромберг химия: учеб. для вузов / , ; под ред. .-4-е изд.,испр..-М.: Высш. школа, 2001.-527 с.

3. Кудинов термодинамика: Учеб. пособие для вузов.-М.: Высш. школа, 2000.-261с.: ил.; 21см..-ISBN 5-05-003712-6: 37р.80к.

4. Лойцянский жидкости и газа: учебник для вузов / .-7-е изд., испр..-М.: Дрофа, 2003.-840 с.

8.1.2. Дополнительная литература

, ,Черенков теории физико-химических процессов в тепловых двигателях и энергетических установках: Учебное пособие для вузов.-М.: Химия, 2000.

Для проведения лабораторных занятий требуется следующее программное обеспечение:

1.Операционная система MS Windows 2000;

2. Набор учебных программ для лабораторного практикума по дисциплине «Основы физики горения» (разраб. на каф. ДВС УГАТУ);

3. Программа ASTRA, v.4.0 (разраб. в МВТУ им. Баумана);

9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Для проведения практических и лабораторных занятий требуются класс с персональными компьютерами типа IBM Pentium III с частотой 700 МГц и выше. ОЗУ не менее 128 Мб. Видеокарта не менее 32 Мб с поддержкой стандарта OpenGl.